基于服务总线S0A架构的省域高速公路机电智能运维平台 邓晶12,张伟,肖才佳12,肖日东12 (1.中囯公路工程咨询集团有限公司,北京100083:2.中咨泰克交通工程集团有限公司,北京100083) 瘸要:我国省域高速公路机电系统体系日益庞大、设备种类增多,传统高速公路 机电运维系统依然以人为主、救火式维修、只停留在表面的信息化运维管理已不能 满足现阶段高速公路机电系统迅猛发展的需求,本文针对传统髙速公路机电运维 系统运维管理流程复杂、异构系统整合能力差、信息资源共享协同难等问题,提出 基于服务总线S0A架构的省域高速公路杋电智能运维平台。通过服务总线和面向 服务的工作流技术,把故障预警、故障分析、智能决策等系统构建成一体化服务平 台,同时实现与其它省域级、企业数据库平台形成对接,以适应现代化、智能化的 高速公路运营管理需求。 关镳词:ESB服务总线;S0A面向服务;公路机电系统;智能运维;TPM 中图分类号:U491 An Intelligent Mechatronics Operation and maintenance platform for provincial Expressway Based on ESB-driven SOa DENG Jing,2, ZHANG Wei!, XIAO Caijia. 2, XIA0 Ridong 2 1. China Highway Engineering Consulting Corporation, Beijing, 100083 2.Tech Traffic Engineering Co. Ltd, Beijing, 100083) Abstract: The electromechanical system of provincial expressway is increasingly large and the types of equipment are increasing. The traditional mechanical and electrical operation and maintenance system of expressway is still man-oriented and fire-fighting maintenance. The information operation and maintenance management which only stays on the surface, cannot meet the demand of the rapid development of the expressway electromechanical system at present. This paper aims at to propose a provincial expressway electromechanical intelligent operation and maintenance platform, which is based on the SOA, to solve the problems as the complex process poor integration ability of the heterogeneous system and difficult information resources 通讯作者:肖日东电子信箱:1342372062@qcom
基于服务总线 SOA 架构的省域高速公路机电智能运维平台1 邓晶 1,2 ，张伟 1 ，肖才佳 1,2 ，肖日东 1,2 （1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100083；2.中咨泰克交通工程集团有限公司，北京 100083） 摘 要： 我国省域高速公路机电系统体系日益庞大、设备种类增多，传统高速公路 机电运维系统依然以人为主、救火式维修、只停留在表面的信息化运维管理已不能 满足现阶段高速公路机电系统迅猛发展的需求，本文针对传统高速公路机电运维 系统运维管理流程复杂、异构系统整合能力差、信息资源共享协同难等问题，提出 基于服务总线 SOA 架构的省域高速公路机电智能运维平台。通过服务总线和面向 服务的工作流技术，把故障预警、故障分析、智能决策等系统构建成一体化服务平 台，同时实现与其它省域级、企业数据库平台形成对接，以适应现代化、智能化的 高速公路运营管理需求。 关键词： ESB 服务总线；SOA 面向服务；公路机电系统；智能运维；TPM 中图分类号：U491 An Intelligent Mechatronics Operation and Maintenance platform for Provincial Expressway Based on ESB-driven SOA DENG Jing1,2, ZHANG Wei1 , XIAO Caijia1,2, XIAO Ridong1,2 (1. China Highway Engineering Consulting Corporation，Beijing，100083; 2.Tech Traffic Engineering Co. Ltd，Beijing，100083) Abstract：The electromechanical system of provincial expressway is increasingly large and the types of equipment are increasing. The traditional mechanical and electrical operation and maintenance system of expressway is still man-oriented and fire-fighting maintenance. The information operation and maintenance management, which only stays on the surface, cannot meet the demand of the rapid development of the expressway electromechanical system at present. This paper aims at to propose a provincial expressway electromechanical intelligent operation and maintenance platform, which is based on the SOA, to solve the problems as the complex process. poor integration ability of the heterogeneous system and difficult information resources 通讯作者：肖日东 电子信箱：1342372062@qq.com
sharing and Cooperation and so on. Through the service bus and service workflow technology, the fault warning, fault analysis and intelligent decision is constructed into an integrated service platform, which can be connected with other provincial and enterprise database platforms to adapt to the highway operation management requirements of modernization and intelligence keep words: ESB, SOA, expressway mechanical and electrical system, intelligence operation and maintenance. TPM 、高速公路机电系统运维现状 高速公路的发展对国家经济的发展具有直接影响,各国近年来都在大力加速发展高速公 路,我国高速公路建设至2015年底,总里程已超过美国居世界第一,2017年初已达13.1万 公里。 些发达国家在二十世纪50年代大力发展高速公路,相应的高速公路机电系统管理 也发展起来,并随着相应设备管理理论不断更新,高速公路机电设备的养护维修管理方面开 始有了较完善的体系:如美国的后勤工程与管理、英国的综合工程学、德国的综合管理,以 及目前应用较为广泛的全员生产维修(TPM)。 国内起步相对较晚,且各省市发展步调不一致,部分运维管理仍停留在改善维修(CM)、 预防维修(酬M)阶段、甚至事后修理(BM)阶段。因此我国高速公路运维情况存在:运行状 况未知、运维成本高昂、资产管理混乱、升级更换盲目等问题。针对这些问题,本文提出基 于服务总线和面向服务体系结构来构建省域高速公路机电智能运维平台,该平台继承了 基于ITL的机电运维系统、基于BIM的机电设备运维管理系统等的优点,并最终实现管理 者对高速公路机电系统的动态运维、智能决策需求,实现省域高速公路机电运维体制向全员 生产维修(TPM)阶段推进。 二、智能运维平台的构建 (一)平台概述 根据TPM全效率、全系统、全员参加的特点,本文提出基于ESB和SOA构建的省域高速 公路机电智能运维平台,是应用先进科技技术于传统机电系统的一种新兴的运维方式,涵盖 系统运行状态监测、关联设备信息査询、故障研判、成本核算反馈等运行维护全过程管理, 并建立云数据库,实现对高速公路机电系统的智能化运维。该平台具有优化运维环节、及时 发现故障、准确判断原因、标准化管理流程等功能,具有事前预警、事中恢复、事后分析的 特性,实现高速公路机电各子系统、人员、业务、设备等管控一体化的作用
sharing and Cooperation and so on. Through the service bus and service workflow technology, the fault warning, fault analysis and intelligent decision is constructed into an integrated service platform, which can be connected with other provincial and enterprise database platforms to adapt to the highway operation management requirements of modernization and intelligence. keep words: ESB, SOA, expressway mechanical and electrical system, intelligence operation and maintenance, TPM 一、高速公路机电系统运维现状 高速公路的发展对国家经济的发展具有直接影响，各国近年来都在大力加速发展高速公 路，我国高速公路建设至 2015 年底，总里程已超过美国居世界第一，2017 年初已达 13.1 万 公里[1] 。 一些发达国家在二十世纪 50 年代大力发展高速公路[2] ，相应的高速公路机电系统管理 也发展起来，并随着相应设备管理理论不断更新，高速公路机电设备的养护维修管理方面开 始有了较完善的体系：如美国的后勤工程与管理、英国的综合工程学、德国的综合管理，以 及目前应用较为广泛的全员生产维修（TPM）[3] 。 国内起步相对较晚，且各省市发展步调不一致[4] ，部分运维管理仍停留在改善维修（CM）、 预防维修（PM）阶段、甚至事后修理（BM）阶段。因此我国高速公路运维情况存在：运行状 况未知、运维成本高昂、资产管理混乱、升级更换盲目等问题。针对这些问题，本文提出基 于服务总线[5] 和面向服务体系结构[6] 来构建省域高速公路机电智能运维平台，该平台继承了 基于 ITIL 的机电运维系统、基于 BIM 的机电设备运维管理系统等的优点，并最终实现管理 者对高速公路机电系统的动态运维、智能决策需求，实现省域高速公路机电运维体制向全员 生产维修（TPM）阶段推进。 二、智能运维平台的构建 （一）平台概述 根据 TPM 全效率、全系统、全员参加的特点，本文提出基于 ESB 和 SOA 构建的省域高速 公路机电智能运维平台，是应用先进科技技术于传统机电系统的一种新兴的运维方式，涵盖 系统运行状态监测、关联设备信息查询、故障研判、成本核算反馈等运行维护全过程管理， 并建立云数据库，实现对高速公路机电系统的智能化运维。该平台具有优化运维环节、及时 发现故障、准确判断原因、标准化管理流程等功能，具有事前预警、事中恢复、事后分析的 特性，实现高速公路机电各子系统、人员、业务、设备等管控一体化的作用
(二)运维管理体系 为保障基于省域髙速公路机电智能运维平台的运维管理工作科学化、规范化,基于传统 高速公路杋电运维管理体系,构建一套由运维保障体系、安全保障体系、智能运维标准规范 体系组成的运维管理体系,该运维管理体系包含软、网及硬件质量管理、系统优化决策管理、 运维过程管理、设备管理、制度与办法、机构的对接管理以及安全管理等,如图1所示 设备管理 运维过程管理 系统可视化管理 财务管理设备维护管理 运维保障体系 运维管理体系 软、网及硬件质量管理 系统优化决策管理, 制度与办法 接口管理 规范与标准 数据标准化管理 考核评估管理 运维标准规范体系 安全保障体系 图1运维管理体系构成图 (三)系统框架 该平台主要实现省域高速公路机电系统运维流程、软硬资源、系统管理的集约化、智能 化。并基于云计算技术建立其分布式、虚拟化的资源池口,同时采用松耦合(SOA、IaaS、 PaaS、SaS)架构圓,实现系统的互联互通,与其它系统实现智能对接(其它运维系统、 厂商技术知识库、省域平台等),以此完善智能运维平台的数据库,并能按管理者的需求定 制服务,实现运维系统的功能扩展和平台升级
（二）运维管理体系 为保障基于省域高速公路机电智能运维平台的运维管理工作科学化、规范化，基于传统 高速公路机电运维管理体系，构建一套由运维保障体系、安全保障体系、智能运维标准规范 体系组成的运维管理体系，该运维管理体系包含软、网及硬件质量管理、系统优化决策管理、 运维过程管理、设备管理、制度与办法、机构的对接管理以及安全管理等，如图 1 所示。 图 1 运维管理体系构成图 （三）系统框架 该平台主要实现省域高速公路机电系统运维流程、软硬资源、系统管理的集约化、智能 化。并基于云计算技术建立其分布式、虚拟化的资源池[7] ，同时采用松耦合（SOA、IaaS、 PaaS、SaaS）架构[8][9][10] ，实现系统的互联互通，与其它系统实现智能对接（其它运维系统、 厂商技术知识库、省域平台等），以此完善智能运维平台的数据库，并能按管理者的需求定 制服务，实现运维系统的功能扩展和平台升级。 运维保障体系 运维标准规范体系 安全保障体系 运维管理体系 财务管理 设备维护管理 系统可视化管理 运维过程管理 设备管理 数据标准化管理 规范与标准 制度与办法 考核评估管理 安全管理 接口管理 系统优化决策管理 软、网及硬件质量管理
人/车路/环境/感知终端 光纤光 松耦合 云平台组件 件层 S0A套件 应用中间件 aaS、PaaS、SaaS 基于大数据的协同处理 数据清理 数据补偿 数据融合 数据预测 外部数据 智能运维系统应用服务 故障预警系统)(故障分析统计系统→)(网络分析系统 服务层(供电监控系统)(系统优化决策系统 资产管理系统 运维过程管理系统(移动运维系统(30仿真系统 ESB企业服务总线 系统支擇平台 基础层 异构网络融合 硬件集群 分布式数据库 智能运维标准规范体系(一套保障体系) 图2总体架构图 如图2所示,高速公路智能运维平台主要有信息采集层、松耦合架构组建层、数据处理 层、服务层、基础层。为保证系统日后的扩展,以及与系统相关部门、单位对接的集成兼容 性,采用SOA( Service oriented architecture,面向服务的架构)和ESB( Enterprise Service bus,企业服务总线)的设计思路。SOA将应用程序的不同功能单元(称为服务)通 过定义良好的接口和契约联系起来:而现所建系统和日后新建系统的应用接口,通过软件 功能,封装成 Web service,即可接入到ESB企业服务总线,实现原有系统与新建、新接 入系统的连接通讯。 信息采集层:先进的信息采集技术及丰富的信息来源,为系统对基础设施的快速检测 和预警提供基础,并动态优化交通基础设施服役性能,形成自动化、智能化、可视化的快 速监测系统。 松耦合架构组建层:基于云计算技术建立其分布式、虚拟化的资源池,同时采用松耦 合(SOA、IaS、PaaS、SaS)架构,实现不局限于交通系统内的系统互联互通,且可根据 业主需求定制或拓展智能运维系统功能模块
图 2 总体架构图 如图 2 所示，高速公路智能运维平台主要有信息采集层、松耦合架构组建层、数据处理 层、服务层、基础层。为保证系统日后的扩展，以及与系统相关部门、单位对接的集成兼容 性，采用 SOA（Service Oriented Architecture,面向服务的架构）和 ESB（Enterprise Service Bus,企业服务总线）的设计思路。SOA 将应用程序的不同功能单元（称为服务）通 过定义良好的接口和契约联系起来[11] ；而现所建系统和日后新建系统的应用接口，通过软件 功能，封装成 Web Service [12] ，即可接入到 ESB 企业服务总线，实现原有系统与新建、新接 入系统的连接通讯。 信息采集层：先进的信息采集技术及丰富的信息来源，为系统对基础设施的快速检测 和预警提供基础，并动态优化交通基础设施服役性能，形成自动化、智能化、可视化的快 速监测系统。 松耦合架构组建层：基于云计算技术建立其分布式、虚拟化的资源池，同时采用松耦 合（SOA、IaaS、PaaS、SaaS）架构，实现不局限于交通系统内的系统互联互通，且可根据 业主需求定制或拓展智能运维系统功能模块。 运维保障体系 (一套保障体系 ) 数据处 理层 系统支撑平台 基于大数据的协同处理 基础层 异构网络融合 硬件集群 分布式数据库 安全保障体系 (一套保障体系 ) 松耦合 架构组 件层 云平台组件 SOA套件 应用中间件 IaaS、PaaS、SaaS 智能运维系统应用服务 服务层 数据融合 数据预测 外部数据 数据清理 数据补偿 数据挖掘 智能运维标准规范体系（一套保障体系） 运维过程管理系统 移动运维系统 3D仿真系统 供电监控系统 系统优化决策系统 资产管理系统 故障预警系统 故障分析统计系统 网络分析系统 ESB企业服务总线 人/车/路//环境/感知终端 信息采 集层 设备标签 RFID标签 雷达 GPS感知 环境传感器 机器视觉 光纤光栅传感 遥感
企业服务总线(ESB):整体对业务按照面向服务(SOA)的方法进行分析,发现核心业 务服务和定义标准业务消息格式(ML),实现运维平台内部各种分发服务、发布服务。 交通基础设施基础信息的查询服务:数据迁移采用基于ESB总线思想实现数据库的提交和 汇总处理,采用开源和开放标准的ESB中间件 Service mix和 Active MQ作为消息中间件 [14][15] 数据处理层:通过数据清理、数据补偿、数据融合等模块对系统数据进行整合及数据 质量管理,建立数据标准规范体系,并通过大数据技术对历史数据进行分析处理,并挖掘 数据的潜在价值,提供决策支持,推进髙速公路机电系统更精细化地管理 服务层有:故障预警系统、故障分析统计系统、网络分析系统、供电监控系统、系统优 化决策系统、资产管理系统、运维过程管理系统、移动运维系统、3D仿真系统等九大系统 九大系统能建立起全方位、立体化的高速公路交通基础设施运维管理体系,并对系统进行监 测、评估、诊断及修复,此外还提供优化决策服务,以及一定程度上系统改造的可行性判断 丰富的功能模块,由故障预警、故障分析统计、各子系统实施监控、决策支持、资产管 理、实时交互等子系统全方位地提供智能化运维服务。 基础层包含:异构网络融合、硬件集群、分布式数据库。 (四)平台构建与实现 要实现省域高速公路机电运维体制向全员生产维修(TPM)阶段推进,必须先实现省域 高速公路机电智能运维各系统之间、各单位、厂家的异构数据库之间的数据集成,先实现与 该平台对接的新旧系统应用服务之间的信息交互和共享。为此本文提出在运维平台构建ESB 数据集成模型。模型通过基于消息流程的负载均衡,采用WSDL和 Active MQ技术,以消息 处理中间件、各分布式节点的负载、资源状况为判断依据,进行流程节点分配,单位时间内 完成传输过程中大量消息的处理。运维平台ESB总体架构设计如图3所示。故障预警、故障 分析、供电监控、资产管理等应用都注册在ESB服务总线上。当有系统接入请求,通过适配 器组件把提供者的特定请求转换为ESB要求的消息类型,以实现应用的集成
企业服务总线（ESB）：整体对业务按照面向服务（S0A）的方法进行分析，发现核心业 务服务和定义标准业务消息格式（XML）[13] ，实现运维平台内部各种分发服务、发布服务。 交通基础设施基础信息的查询服务：数据迁移采用基于 ESB 总线思想实现数据库的提交和 汇总处理，采用开源和开放标准的 ESB 中间件 Service Mix 和 Active MQ 作为消息中间件 [14][15] 。 数据处理层：通过数据清理、数据补偿、数据融合等模块对系统数据进行整合及数据 质量管理，建立数据标准规范体系，并通过大数据技术对历史数据进行分析处理，并挖掘 数据的潜在价值，提供决策支持，推进高速公路机电系统更精细化地管理。 服务层有：故障预警系统、故障分析统计系统、网络分析系统、供电监控系统、系统优 化决策系统、资产管理系统、运维过程管理系统、移动运维系统、3D 仿真系统等九大系统。 九大系统能建立起全方位、立体化的高速公路交通基础设施运维管理体系，并对系统进行监 测、评估、诊断及修复，此外还提供优化决策服务，以及一定程度上系统改造的可行性判断。 丰富的功能模块，由故障预警、故障分析统计、各子系统实施监控、决策支持、资产管 理、实时交互等子系统全方位地提供智能化运维服务。 基础层包含：异构网络融合、硬件集群、分布式数据库。 （四）平台构建与实现 要实现省域高速公路机电运维体制向全员生产维修（TPM）阶段推进，必须先实现省域 高速公路机电智能运维各系统之间、各单位、厂家的异构数据库之间的数据集成，先实现与 该平台对接的新旧系统应用服务之间的信息交互和共享。为此本文提出在运维平台构建 ESB 数据集成模型。模型通过基于消息流程的负载均衡，采用 WSDL 和 Active MQ 技术，以消息 处理中间件、各分布式节点的负载、资源状况为判断依据，进行流程节点分配，单位时间内 完成传输过程中大量消息的处理。运维平台 ESB 总体架构设计如图 3 所示。故障预警、故障 分析、供电监控、资产管理等应用都注册在 ESB 服务总线上。当有系统接入请求，通过适配 器组件把提供者的特定请求转换为 ESB 要求的消息类型，以实现应用的集成